列车横向半主动悬挂控制策略及其油压减振器控制机理研究李贵平, 王广丰, 刘宏友, 徐伟ResearchontheControlStrate gyoftheLateralSemi 2activeSus pensionoftheTrainandtheWorkTheor yofDam perLIGui 2ping,WANGGuan g2feng,LIUHon g2you,XUWei(青岛理工大学机械工程学院,266033 )摘要:介绍了列车横向半主动悬挂的基本控制策略及其改进,分析了一种半主动减振器的基本原理及对控制阀的设计要求,对半主动减振器的研究应用具有一定的指导意义。

关键词:天棚阻尼原理; 横向半主动悬挂; 减振器; 电液比例溢流阀中图分类号:TH137 文献标识码:B 文章编号:100024858 (2008) 04200072031 前言铁路车辆的横向振动对乘坐舒适度的影响很大,依靠提高线路等级的办法又需要投入巨额费用,而采用全主动悬挂和半主动悬挂却能有效地抑制机车车辆的横向振动,提高乘坐舒适度。

与全主动悬挂相比较,半主动悬挂采用无源但可控的阻尼器,能够根据预定的阻尼控制规律及时调节阻尼力大小,除控制器件的驱动外,不需输入外来能源(如气缸、液压泵) ,其结构相对简单, 成本低,而且能够达到期望的控制效果。

更为方便的是,这种减振器可以和被动减振器相互换,而不需要改造原来的悬挂系统。

目前对列车横向半主动悬挂系统的研究,国外最为典型的是日本,并且已经在部分高速列车上使用[1 、2、4] 。

国内在这方面也展开了大量的研究,但还没有走向实际应用阶段。

本文对列车半主动悬挂系统的基本控制策略、阻尼器的实现等方面进行研究分析。

2 横向半主动悬挂基本控制策略及其改进天棚阻尼原理是车辆悬挂系统半主动控制最常用的方法,该方法简单有效,易于实施[3] 。

采用天棚阻尼(skyhook ) 原理作二系横向悬挂系统的基本控制原理见图1 。

假设列车沿一道虚拟的刚性墙移动,在虚拟墙与车体之间装设一个虚拟减振器(称作天棚减振器) 来减小车体横向振动。

按天棚阻尼原理,天棚减振器在列车运行中需始终处于工作状态以提供阻尼力。

但天棚减振器是虚拟的,在实际应用中由安装于车体F s —天棚减振器阻尼力C s —天棚减振器阻尼系数F —实际减振器阻尼力 C —实际减振器阻尼系数v 1 —车体横向速度v 2 —转向架横向速度图1 横向天棚阻尼原理图与转向架间的横向减振器模拟实现。

实际减振器提供的阻尼力与活塞的移动速度(车体和转向架的相对速度) 成比例,当车体运动速度与减振器活塞移动速度相反时,产生的阻尼力会加大车体横向振动。

所以横向半主动控制的天棚控制规则定义如下:收稿日期:2007210208作者简介:李贵平(1975 —) ,男,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生,研究方向:机电控制。

F s =- C s v1 , v1 ( v1 - v2) > 00 , v1 ( v1 - v2) ≤0(1)而实际减振器半主动控制时的阻尼力为:F =- C( v1 - v2) , v1 ( v1 - v2) > 00 , v1 ( v1 - v2) ≤0(2)令F = F s ,用阻尼系数表达式(1) 即为:7 2008 年第4 期液压与气动C( t) =C s v1/ ( v1 - v2) , v1 ( v1 - v2) > 00 , v1 ( v1 - v2) ≤0(3)将C 写为时间的函数,是因为在列车运行过程中v1 和v2 是不断变化的, 所以在模拟天棚阻尼力时要求实际阻尼系数C 也要根据v1 和v2 作相应的变化。

理想的天棚阻尼力是决定于车体运动速度的, 不需要考虑转向架的运动状况。

但在实际应用中, 阻尼力是依赖于减振器活塞运动速度的, 与转向架的速度有关。

当相对速度较低,而车体速度较高时, 按式(3) 所要求的实际阻尼系数C 就会很大,这在实际中是难以达到的。

但由于轨道的振动频率要高于车体的振动频率,所以通过减少在车体绝对速度方向上阻尼力的方式来产生一个接近理想减振器的力是可能的[4 ] 。

也就是说相对速度的变化频率比车体速度的变化频率高,从而可以通过控制实际阻尼力的最大值来模拟天棚阻尼力。

在相对速度较低的情况下, 实际减振器产生的阻尼力达不到天棚阻尼力时, 维持一定的阻尼系数不变;在相对速度较高的情况下,实际阻尼力达到天棚阻尼力时,控制阻尼系数C 为C s·v1/ ( v1 - v2) ,使其等于天棚阻尼力。

另外,由于减振器油液回路本身存在液阻和摩擦阻力等作用,实际最小阻尼也不可能做到零。

所以在具体应用中,对横向天棚阻尼规则需要做一些改进。

结合半主动控制中的两个重要环节,即按速度方向切换阻尼和控制阻尼大小,相应的控制方式有两种: 一种是只在方向上做控制;另一种是两者都控制。

下面是天棚阻尼控制规则的两种改进形式:A. C =C s , v1 ( v1 - v2) > 0C0 , v1 ( v1 - v2) ≤0(4)B. C =min C h ,C s v1v1 - v2, v1 ( v1 - v2) > 0C0 , v1 ( v1 - v2) ≤0(5)控制规律A 是设置一固定阻尼,只按速度方向切换阻尼,这种方式被称为“开2关式半主动悬挂系统”。

控制规律B 是既根据速度方向切换阻尼,又控制阻尼幅值,这种方式是连续调节阻尼的。

设置了阻尼的上限C h ,当按天棚阻尼公式计算出的阻尼系数高于C h 时,实际阻尼C 取上限,当低于C h 时按天棚控制规则取值。

其中两式C0 中为设置的阻尼下限值。

文献[5] 采用上述两种控制规律的横向半主动减振器,并考虑了悬挂系统的时滞,在具有23 个自由度的铁道客车系统非线性数学模型中进行了仿真分析。

仿真结果表明,无论采用哪种控制规律,都能大大降低车体的横向振动加速度,改善旅客乘坐舒适度。

两种控制规律相比,控制规律B 的减振效果要明显优于控制规律A。

3 半主动悬挂阻尼器的实现高速列车上使用的半主动悬挂阻尼器最基本的方法有两种:一种是通过改变阻尼孔节流面积的办法来控制阻尼力;另一种是通过设定压力阀的输出压力来调节阻尼力。

本文介绍后一种。

电液比例溢流阀调节阻尼力的横向半主动减振器,其结构原理[6] 见图2 。

该减振器由减振本体、横向加速度传感器、控制器、2 个电磁开关阀和1 个电液比例溢流阀及相应的控制油路组成。

图2 半主动减振器结构原理2 个电磁阀用来切换阻尼力的方向,节流阀与电液比例溢流阀是控制阻尼力幅值的。

控制器一方面用来接收加速度传感器检测到的车体加速度信号,将其转化为车体速度,另一方面通过一定的运算规则给电磁阀和比例溢流阀发出控制信号,使其动作。

3.1 方向控制通过2 个电磁阀开启与关闭的简单组合,可以巧妙地使阻尼力按速度方向切换,即无论是拉伸或压缩过程,都能使横向天棚阻尼控制规则中不需要提供阻尼力时的功能得以实现。

根据速度相位判别,车体速度与减振器活塞速度(相对速度) 共有4 种不同的情况。

当车体速度向左(图2 中方向) 时,活塞速度有可能与其同向,也有可能与其反向。

此时令电磁阀2 通电开启,电磁阀关闭。

若活塞的速度与车体速度相同时,则减振器处于拉伸状态,此时需要提供阻尼力。

由图3a 分析,活塞上的单向阀关闭,被压缩的油液由左腔流出再经节流系统流回油箱。

此时左腔为高压腔,给车体提供向右的阻尼力阻止车体向左运动。

同时,由油箱经阀2 和底部单向阀向右腔补油。

若活塞速度与车体速度反向,则减振器处于压缩状态,按天棚阻尼控制规则是不希望8 液压与气动2008 年第4 期1. 最小控制时2. 非控制时3. 最大控制时a) 半主动减振器1. 车体速度v 12. 活塞速度( v 1 - v 2)3. 天棚阻尼力F s4. 节流阀作用时阻尼力F′5. 实际阻尼力Fb) 半主动悬挂图3 力2速度特性曲线提供阻尼力的。

此时活塞上的单向阀开启,使左右两腔连通,由于阀2 是开启的,所以左右两腔都与油箱相通,同时为低压腔,减振器不提供阻尼力。

当车体速度向右时,阀1 通电开启,阀2 关闭。

同理按活塞运动速度的不同可以做出分析,两者速度同向时提供阻尼力,反向时不提供阻尼力。

通过以上分析可知,只要按车体的速度相位控制两电磁阀的工作状态就可以在提供与不提供阻尼力之间进行切换,而不必考虑活塞(或转向架) 的速度方向。

3.2 幅值控制节流阀与电液比例溢流阀并联部分是用来控制阻尼力幅值的,其工作特性曲线见图3a 。

图3a 中所示的是阻尼力与活塞速度的关系曲线,由于减振器内部压力与阻尼力成比例,而流量与活塞运动速度成比例,所以也可理解为压力与流量的关系。

节流阀的作用是在电液比例溢流阀开启前提供初始节流作用。

根据车体速度确定的天棚阻尼力设定电液比例溢流阀的开启压力值,当减振器内部压力上升达到开启值时,比例溢流阀动作溢流,使压力保持在控制值。

其压力控制范围介于曲线1 与曲线3 之间。

当被控阻尼力在此范围时,电液比例溢流阀的开启压力可以任意调节。

4 半主动悬挂阻尼力与速度的关系通过上述对减振器工作原理的分析可知,其阻尼力是由节流阀初始节流作用和电液比例溢流阀溢流作用产生的。

按车体速度和转向架的速度关系及横向天棚控制规则作出半主动悬挂阻尼力与速度的关系如图3b 所示。

若车体横向速度v1 与活塞移动速度( v1 - v2 ) 同向时,减振器提供阻尼力;反向时,使减振器完全卸载, 不提供阻尼力。

当由节流阀产生的阻尼力F′上升到天棚阻尼力F s 时,比例溢流阀开启,控制阻尼力,使其按天棚阻尼力要求变化。

曲线5 即为半主动控制的实际阻尼力F。

经分析可知,图中所示的控制规律即是公式(5) 的控制规律。

5 电液比例溢流阀的设计要求考虑到列车的安全运行,半主动减振器要具有一定的冗余设计,即当控制系统因故障失效时,半主动减振器能够转为被动减振作用。

如图2 所示,如果采用一般的电液比例溢流阀,故障时减振器高压腔的油液就会直接通过电液比例溢流阀流回油箱,使减振器完全失效,这是减振器在非控制状态所不允许的。

所以有必要设计特殊的电液比例溢流阀,保证其在正常工作状态有良好的性能,非控制状态能够保持在一个特定的开启设定值,在被动减振中作卸荷阀(图3a 中曲线2) 。

同时要求该设定压力值在最小控制和最大控制压力间的某个范围内任意可调,以满足不同车辆和工况的使用要求。

6 结束语本文对列车横向半主动悬挂的基本控制策略、改进型控制规律、电液比例溢流阀调节阻尼力的半主动减振器的工作原理和采用特殊电液比例溢流阀的必要性进行了研究分析,对半主动减振器的研究应用具有一定的指导意义。

参考文献:[1] 佐佐木君章(日) . 改善高速列车的横向乘坐舒适度———半主动悬挂减振装置的应用[J]. 铁道学报,2004,26 (1) :105- 115.[2] 中里雅一,等(日) . 铁道车辆用半有源减振器的开发[J]. 国外铁道车辆,2003,40 (4) :33-38.[3] 熊勇刚,谢勇,丁问司,等. 机车车辆半主动悬挂控制系统的研究[J]. 中南大学学报,2005,36 (4) :678-681.[4] KimiakiSASAKI (日) . 日本摆式列车的横向半主动式悬挂系统[J]. 国外铁道车辆,2001,38 (5) :36-40.[5] 曾京,戴焕云,邬平波. 基于开关阻尼控制的铁道客车系统的动力学性能研究[J]. 中国铁道科学,2004,25(6) :27-31.[6] 丁问司,刘少军,卜继玲. 高速列车横向悬挂控制方式及半主动减振器[J]. 中国机械工程,2003,14 (12) :995-998.9 2008 年第4 期液压与气。